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生活中最常見的鋰離子電池，但因其對溫度敏感，一旦電池內(nèi)部局部過熱，便可誘發(fā)一連串放熱反應(yīng)，甚至起火爆炸……據(jù)不完全統(tǒng)計，2021年全國新能源汽車火災(zāi)事故約3000起，電動自行車火災(zāi)約1.8萬起，造成巨大的人員安全和財產(chǎn)損失。

面對懸而未決的安全問題，科學(xué)家們把目光投向了水系電解液。今年1月，西湖大學(xué)王建輝團隊和劉仕團隊在《焦耳》線上發(fā)表題為《非對稱供體——受體分子調(diào)控的新型核殼溶液結(jié)構(gòu)的新型電解液，助力高電壓水系電池》的研究文章，并在剛剛出版的《焦耳》2月刊中作為封面出現(xiàn)。

論文第一作者是西湖大學(xué)博士研究生林銳和博士后柯昌明，通訊作者是西湖大學(xué)特聘研究員王建輝和劉仕。

相比目前鋰離子電池使用的有機電解液，水系電解液的安全系數(shù)要高很多，不難理解，水系溶液不可燃，這就大大降低了電池燃燒爆炸的風(fēng)險。

安全性高、制備條件寬松、成本低廉，一直是水系電解液的搶眼優(yōu)勢。但它的瓶頸同樣突出——電壓窗口窄，限制了電池的能量密度上升空間。例如，常規(guī)水系電池，如鉛酸電池、鎳鎘電池的電壓為1-2 V，能量密度只有30-50 Wh/kg，遠低于有機系鋰離子電池(3-4 V，150-250 Wh/kg)。水系電池的能量密度不到鋰離子電池的1/3，因此使用水系電解液的電池在市場上不具備競爭優(yōu)勢。

如何制備出寬電壓窗口的水系電解液，以實現(xiàn)匹敵有機系鋰離子電池的能量密度?在全新水系電解液中，研究團隊用到了一種“關(guān)鍵配方”——甲基脲分子。甲基脲是一種十分常見的化學(xué)物質(zhì)，主要用于有機合成及制藥工業(yè)，成本低廉。更重要的是，作為一種不可燃、低毒的物質(zhì)，甲基脲十分符合制備水系電解液材料的需求。

通過多種原位/準原位表征，以及反復(fù)的實驗驗證，加入甲基脲的電解液可以有效抑制水在高/低電位條件下的氧化/還原分解等副反應(yīng)。在相同測試條件下，研究團隊對比研究了近10種已報道的代表性高電壓水系電解液，結(jié)果顯示甲基脲水系電解液具有最寬的4.5V的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，是常規(guī)水系電解液的2倍多?；诖私Y(jié)果，能夠大幅提高水系電池的能量密度，有望開發(fā)出與有機系鋰離子電池相匹敵，并兼顧安全和成本優(yōu)勢的新型電池。

“結(jié)構(gòu)決定性能。”王建輝團隊和劉仕團隊合作，通過分子層面的模擬計算，深入理解電解液組成、結(jié)構(gòu)與功能之間的聯(lián)系。

基于大量數(shù)據(jù)結(jié)果分析和不同尺度下觀察，他們發(fā)現(xiàn)了一個獨特的溶液結(jié)構(gòu)，顯著區(qū)別于普通水溶液。《焦耳》封面上的水滴，黃綠色的“鹽核”被藍紫色的“有機/水殼”緊緊包裹，共同形成一種名叫“核殼”的溶液結(jié)構(gòu)。王建輝表示，這是一種在固體納米材料中“最常見”的結(jié)構(gòu)，但在液體中發(fā)現(xiàn)類似結(jié)構(gòu)令人非常意外，這為調(diào)控溶液結(jié)構(gòu)、設(shè)計新型電解液，以及后續(xù)各種可能的應(yīng)用研究提供了理論基礎(chǔ)。(作者：溫才妃 張弛 )